【文章內(nèi)容簡介】 1818⑩1 粉土88⑩4 粉細(xì)砂33⑾1 粉細(xì)砂⑾4 卵石圓礫11⑿ 粉質(zhì)粘土445暗挖區(qū)間隧道計算方法⑴結(jié)構(gòu)與地層共同作用的處理方法在采用荷載—結(jié)構(gòu)模型計算襯砌內(nèi)力時，除了要知道作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的主動荷載外，還要很好地解決結(jié)構(gòu)與地層的共同作用問題，目前較為實用的處理方法有以下3種：①主動荷載模型，見圖811。除了在結(jié)構(gòu)底部受地層約束外，其它部分在主動荷載作用下可以自由變形。適用于結(jié)構(gòu)與地層“剛度化”較大的情形。圖811 主動荷載模型　　地層反力　　側(cè)向圍巖主動壓力豎向圍巖主動壓力圖812 主動荷載加地層彈性約束模型　　圍巖彈性抗力　　側(cè)向圍巖主動壓力　　豎向圍巖主動壓力　脫離區(qū)　襯砌變形曲線②主動荷載加地層彈性約束的模型，見圖812。該模型認(rèn)為地層不僅對襯砌結(jié)構(gòu)施加主動荷載還對襯砌結(jié)構(gòu)施加被動彈性抗力。適用于各類地層。③地層實測荷載模型，見圖813。實測荷載模型是結(jié)構(gòu)與地層共同作用的綜合反應(yīng)，它即包括地層的主動壓力，也含有被動彈性力?；追戳皬椥钥沽砂碬inkler假定為基礎(chǔ)的局部變形理論來確定。徑向荷載切向荷載圖813 地層實測荷載模型基底反力或彈性抗力的大小和分布形態(tài)取決于對襯砌結(jié)構(gòu)計算是個非線性力學(xué)問題，必須采用迭代法或某些線性化的假設(shè)，例如，假設(shè)反力或彈性抗力的分布形態(tài)為已知，或采用彈性地基梁理論，或用一系列獨立的彈性支撐鏈桿代替連續(xù)分布的反力或彈性抗力等等。于是，襯砌結(jié)構(gòu)計算就成了通常的超靜定結(jié)構(gòu)的求解。1．明挖法修建的矩形框架結(jié)構(gòu)整體計算方法用明挖順作法修建的多跨多層矩形框架結(jié)構(gòu)，可視為一次整體的受力彈性地基上的框架，以荷載—結(jié)構(gòu)模式進行計算。2．蓋挖法修建的多跨多層結(jié)構(gòu)計算方法這里以蓋挖逆作車站為例，介紹多跨多層矩形框架考慮施工步驟的計算方法。⑴蓋挖逆作車站結(jié)構(gòu)受力特點①蓋挖逆作地鐵車站的修建是一個分部施工的過程。結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，常兼有臨時結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)的雙重功能。其結(jié)構(gòu)形式、剛度、支承條件和荷載情況隨開挖過程不斷變化。結(jié)構(gòu)受力不僅與施工方法、開挖步驟和施工措施關(guān)系密切，而且荷載效應(yīng)有繼承性，即這一施工過程在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，是前面各施工過程受力的繼續(xù)，使用階段的受力是施工階段受力的繼續(xù)。②邊墻作為擋土結(jié)構(gòu)主要承受橫向荷載，同時也承受水平構(gòu)件傳遞的豎向荷載，中柱主要承受豎向荷載。施工階段豎向荷載在中柱和邊墻之間分配；結(jié)構(gòu)封底后，豎向荷載在中柱、邊墻和底板之間分配。③蓋挖逆作法多以鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻為基坑的支護，成樁(墻)過程中對地層極少撓動，又以頂、樓板頂替橫撐，基坑開挖引起的墻體變形較小，與一般放坡開挖或順作法施工的地下結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)?shù)貙虞^穩(wěn)定時，施工期間作用在坑底以上墻面的土壓力更接近于靜止土壓力。④蓋挖逆作地鐵車站通常埋置較淺，地面車輛荷載對結(jié)構(gòu)受力有較大影響，不僅使隧道結(jié)構(gòu)的受力有一般公路橋梁的特點，而且車輛荷載在任何一個施工階段都可能存在，也可能消失。車輛荷載作用的結(jié)構(gòu)在不斷變化。⑤在基坑開挖和形成結(jié)構(gòu)過程中，由于垂直荷載的增加和土體卸載的影響，將會引起邊墻和中柱的沉降，由此而產(chǎn)生的對結(jié)構(gòu)體系的影響比順作法嚴(yán)重得多。后者邊墻和中柱承受最大豎向荷載時，底板已完成，整個結(jié)構(gòu)的沉降可通過底板調(diào)整得較小和較為均勻。前者最大豎向荷載先全由邊墻和中柱之下的地基承受。豎向支撐系統(tǒng)過大的沉降，不僅會在頂、樓板等水平構(gòu)件中產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，而且會給節(jié)點連接帶來困難。上述特點表明，適用于放坡開挖順作的整體結(jié)構(gòu)分析方法，即不考慮施工過程、結(jié)構(gòu)完成后一次加載的計算模式?；螂m然考慮施工階段和荷載變化的影響，卻忽略了結(jié)構(gòu)受力繼承性的分析方法都與結(jié)構(gòu)實際的受力狀態(tài)相距甚遠(yuǎn)。必須根據(jù)蓋挖逆作法的施工工藝及結(jié)構(gòu)受力特點，建立新的、能夠反映實際受力狀態(tài)的分析方法。⑵結(jié)構(gòu)分析考慮的主要問題及計算方法的確定①采用工程上習(xí)慣的平面桿系矩陣位移法。R(反力)K=0R0αK=tgαy(變形)圖814 支承鏈桿的彈性模式②應(yīng)能反映地層與結(jié)構(gòu)的相互作用及土體的非線形特性。采用彈性支承鏈桿模型，用水平彈性支承鏈桿模擬地層對側(cè)墻及中間柱水平位移的約束作用；用豎向彈性支承鏈桿模擬地層對底板、側(cè)墻底部及中間樁底部垂直位移的約束作用；用切向彈性支承鏈桿模擬地層摩阻力對側(cè)墻及中間樁位移的約束作用。為了反映土體的非線形特性，支承鏈桿的等效剛度可采用最簡單的理想彈塑性模式(圖814)當(dāng)反力R≤R0時支承鏈桿剛度為常數(shù)Ｋ，當(dāng)R≥R0，K＝0。其中R0為地基的極限承載力。③為了能確切模擬分布開挖過程及使用階段不同的受力狀況，將結(jié)構(gòu)受力的變化過程劃分為若干個相對獨立的階段進行計算。分段原則是：結(jié)構(gòu)組成、支撐情況有較大變化或結(jié)構(gòu)受力情況有很大變化時。④應(yīng)能反映結(jié)構(gòu)受力的繼承性。K1K2K2K1PPq1q2Δqh2h1h1h2RTΔq(1)(2)(3)圖815 坑底土開挖中所受荷載(1) 基坑開挖到h1深度時作用在側(cè)墻上的荷載及側(cè)墻的支承條件(2) 基坑開挖到h2深度時作用在側(cè)墻上的荷載及側(cè)墻的支承條件(3) 基坑從h1挖到h2深度時作用在側(cè)墻上的荷載增量Δq、R、 TP：作用在迎土面上的主動 土壓力或靜止土壓力q1：作用在開挖面上的靜止 土壓力(基坑深度h1)q2：作用在開挖面上的靜止 土壓力(基坑深度h2)Δq：開挖面靜止土壓力增量Δq= q2 q1K1：土體等效水平彈簧剛度K2：土體等效剪切彈簧剛度R：水平彈簧的卸載T：剪切彈簧卸載對于形式、剛度、支承條件和荷載不斷變化的蓋挖逆作結(jié)構(gòu)體系，可采用疊加法進行受力分析。即對每一個施工步驟或受力階段，都按結(jié)構(gòu)的實際支承條件及構(gòu)件組成建立計算簡圖，只計算由于荷載增量(或荷載變化)引起的內(nèi)力增量，這一施工步驟完成后結(jié)構(gòu)的實際內(nèi)力應(yīng)是前面各步荷載增量引起的內(nèi)力的總和。這里關(guān)鍵問題是如何根據(jù)蓋挖逆作的施工工藝確定引起體系內(nèi)力改變的每一個荷載增量。一般可歸納為如下幾種情況：a．支撐的拆除：相當(dāng)在原體系的拆撐處反向施加這一支撐力。b．坑底土挖除：如圖815，當(dāng)在邊墻全高范圍作用著不平衡側(cè)土壓力，并分別用支承鏈桿和切向支承鏈桿模擬坑底以下土體對墻體變形的約束作用，假定作用在邊墻應(yīng)土面一側(cè)的土壓力為定值(主動土壓或靜止土壓)，則基坑從開挖至深度引起的荷載增量有兩部分組成。第一部分為基坑側(cè)因開挖引起的靜止土壓力的減少，相當(dāng)在挖除土體的部位對體系反向施加這一壓力的減少值。第二部分為被挖除土體中彈性抗力的釋放(包括水平向和切向彈性抗力)，相當(dāng)于在開挖部位對體系反向施加這些彈性抗力。c．活載效應(yīng)：活載是一種可變荷載，它們只在當(dāng)前的計算階段起作用。所以對每一個計算階段，都必須計算無可變荷載和只有可變荷載作用的兩種荷載工況，將它們與前面各步無可變荷載的計算結(jié)果疊加，即可求得當(dāng)前階段包括活載影響在內(nèi)的體系的實際受力狀態(tài)。在計算活載效應(yīng)時，應(yīng)按使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能出現(xiàn)的最不利內(nèi)力進行加載。因此，對每個計算階段的可變荷載工況，都可能有若干種的活載加載模式。此外，當(dāng)結(jié)構(gòu)頂板以上覆土小于1m時，應(yīng)利用影響線原理，找出地面車輛活載橫向的最不利加載位置。d．結(jié)構(gòu)自重：僅當(dāng)構(gòu)件在計算簡圖中第一次出現(xiàn)時考慮。在施工過程中，架設(shè)支承、構(gòu)件剛度的增加和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施作等，假定都是在各受力階段結(jié)構(gòu)變形已穩(wěn)定的情況下進行的，如果忽略混凝土在硬化過程中的收縮對體系的影響，則可以認(rèn)為這些作業(yè)都不改變原體系的受力狀態(tài)。(3)計算參數(shù)的確定在地下結(jié)構(gòu)計算中，側(cè)土壓力及地基彈性抗力系數(shù)是兩個重要參數(shù)，可參考已有研究成果并結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗合理選用。①側(cè)土壓力。側(cè)土壓力的大小與墻體的變形情況有關(guān)，在主動土壓力和被動土壓力之間變化，可按以下兩種方式之一處理：a．邊墻全高范圍作用不平衡側(cè)土壓力，開挖面以上視為無約束的構(gòu)件，開挖面以下為彈性地基梁。迎土側(cè)的已知外荷載視墻體變形大小可考慮為主動土壓力或靜止土壓力。通常，在飽和軟土地層中，施工階段取主動土壓力，使用階段取靜止土壓力；當(dāng)?shù)貙虞^穩(wěn)定時，施工階段亦可取靜止土壓力?；觽?cè)開挖面以下取靜止土壓力時，它與墻體水平抗力疊加以后不應(yīng)大于被動土壓力。b．邊墻全高范圍按彈性地基梁計算，并作用不平衡土壓力，以靜止土壓力為初始計算荷載，墻體的有效土壓力為計算荷載與土體水平彈性抗力的代數(shù)和，且不應(yīng)小于主動土壓力和大于被動土壓力。②地基彈性抗力系數(shù)?？沽ο禂?shù)是地層反力和位移之間的一種概念性關(guān)系，它不僅與地層條件有關(guān)，而且與構(gòu)件的受載面積、形狀和變形方向等有關(guān)?，F(xiàn)有的一些有關(guān)基床系數(shù)的經(jīng)驗公式，大多與土壤的變形模量發(fā)生關(guān)系，可根據(jù)試驗、經(jīng)驗公式或查表選用。(4)計算簡圖地鐵車站一般為長通道結(jié)構(gòu)，橫向尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸，故可簡化為平面問題求解。以三跨雙層地鐵車站框架為例，當(dāng)邊墻頂位于頂板附近時，結(jié)構(gòu)計算一般可分為3個主要的施工過程和一個使用階段，相應(yīng)的計算簡圖及有關(guān)說明，見表85及圖816。表85 關(guān)于計算簡圖底說明受力階段支撐條件荷載增量內(nèi)力變形增量體系實際內(nèi)力及變形工況1(靜載)工況2(活載)工況1工況2施工階段(1)施工過程1，覆土重地面施工荷載或施工車輛荷載P1及其引起底側(cè)土壓力S1a1a2A1= a1A2=+ a2(2)施工過程2同上PS1及樓板施工荷載P2b1b2B1= A1+ b1B2= A1+ b1 +b2(3)施工過程3同上，底板土體等效豎向彈簧及切向彈簧底板自重PS1及P2c1c2C1= B1+ c1C2=B1+c1+ c2使用階段(4)同上，但底板豎向彈簧反力小于水浮力底部分應(yīng)取消豎向彈簧及切向彈簧：使用階段側(cè)土壓力與施工完成時側(cè)土壓力底差值：重量：道床重；取消彈簧的部分以水浮力作為外荷載1．地面車輛荷載P2及其引起的側(cè)土壓力S32．樓板：人群荷載d1d2D1＝C1+ d1D2＝C1+ d1+ d2當(dāng)開挖過程中需要在層間設(shè)置臨時支撐時，施工階段的受力狀態(tài)也相應(yīng)增加、荷載則需按最不利位置施加。3．暗挖車站結(jié)構(gòu)計算原則。暗挖車站結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)形式和施工步驟關(guān)系十分密切，本書只根據(jù)施工過程結(jié)構(gòu)受力和位移的特點，提出一些計算原則，讀者可根據(jù)具體情況靈活運用。⑴暗挖車站復(fù)合式結(jié)構(gòu)受力特點圖816 蓋挖逆作車站考慮施工步驟的內(nèi)力分析圖式覆土重+自重活載p1(施工車輛荷載或施工荷載)活載產(chǎn)生的土壓力s1不平衡土壓力p1自重活載p2(施工荷載)水土壓力增量土體卸載汽車荷載p3p1p2s1自重面層重面層重人群荷載p4道床重a2(活載作用) a1(靜載作用)b2(活載作用) b1(靜載作用)d2(活載作用) d1(靜載作用)c2(活載作用) c1(靜載作用)挖開控至樓板開挖至底板底載產(chǎn)生的土壓力s3s1①暗挖車站結(jié)構(gòu)修建是個分步實施的過程，在每一施工步驟中所施作的初期支護都和上一步驟中施作的初期支護以及圍巖形成一個完整的結(jié)構(gòu)體系，承受著這一開挖過程中所引起的圍巖松動壓力或形變壓力。初期支護的荷載效應(yīng)有繼承性。②二次襯砌可能在全斷面開挖和初期支護全部做好后施作，也可能在部分?jǐn)嗝骈_挖和初期支護做好后就施作。若施作二次襯砌時，破除了部分初期支護，改變了原結(jié)構(gòu)體系，則初期支護中的內(nèi)力將釋放，并與隨后施作的二次襯砌一起形成一個新的疊合式結(jié)構(gòu)，共同承受被釋放的荷載。如果施作二次襯砌時不破壞初期支護的結(jié)構(gòu)體系，則二次襯砌僅承受靜水壓力和水位恢復(fù)后圍巖性質(zhì)惡化引起的后續(xù)荷載以及偶然荷載。③如車站結(jié)構(gòu)是在全斷面開挖后一次施作，則車站結(jié)構(gòu)將和圍巖一起組成一個結(jié)構(gòu)體系共同承受圍巖的形變壓力(按連續(xù)介質(zhì)模型)或圍巖的松動壓力按荷載—結(jié)構(gòu)模型)。(2)暗挖車站復(fù)合式結(jié)構(gòu)的計算原則①車站結(jié)構(gòu)計算一般可視為平面應(yīng)變問題，采用連續(xù)介質(zhì)模型或荷載結(jié)構(gòu)模型，有限元方法求解，必要時亦可按空間問題考慮。按連續(xù)介質(zhì)模型分析時，圍巖、初期支護、二次襯砌都可采用連續(xù)單元模擬。如初期支護厚度較小，已可采用軸力桿單元。二次襯砌也可用梁單元，厚度較大時，可用Timoshenko梁單元。防水隔離層用軸力桿或夾層單元模擬，按荷載結(jié)構(gòu)模型分析的方法同前。②圍巖的形變壓力可用圍巖中的已存應(yīng)力(第一次開挖時，圍巖的已存應(yīng)力即為圍巖的原始應(yīng)力)釋放而形成的釋放荷載模擬。③采用連續(xù)介質(zhì)模型時，圍巖可視為彈塑性體，為了簡化亦可視為等效的彈性體。④若初期支護中設(shè)有錨桿，一般用軸力桿單元模擬，也可以將錨桿的效應(yīng)視為提高圍巖力學(xué)特性的手段。地震對地下車站結(jié)構(gòu)的影響概可以分為剪切錯位和振動?？寇囌窘Y(jié)構(gòu)來抵抗由于地震引起的剪切錯位幾乎是不可能的，因此車站結(jié)構(gòu)的地震作用分析僅局限于在假定土體不會喪失完整性的前提下考慮其振動效應(yīng)。只有埋設(shè)于松軟地層中的重要地鐵結(jié)構(gòu)物才有必要和可能進行地震響應(yīng)分析和動力模型試驗，對一般地鐵結(jié)構(gòu)都采用實用方法，即靜力法或擬靜力法。靜力法或擬靜力法就是將隨時間變化的地震力或地層位移用等代的靜地震荷載或靜地層位移代替，然后用靜力計算模型分析地震荷載或強迫地層位移作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。通常都是基巖的剪切位移引起的，一般都發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶的附近。另外錯位還包括其他原因，例如液化、滑坡或地震誘發(fā)的土體失穩(wěn)引起的較大土體位移。用結(jié)構(gòu)來約束較大的土體位移幾乎是不可能的，有效的辦法是盡量避開這些敏感部位，如果做不到這一點，則應(yīng)把震害限制在一定范圍，并在震后容易修復(fù)。在襯砌結(jié)構(gòu)橫截面的抗震設(shè)計和抗震穩(wěn)定性檢算中采用地震系數(shù)法(慣性力法)，即靜力法；驗算襯砌結(jié)構(gòu)沿縱向方向的應(yīng)力和變形則用